3月8日，室溫超導(dǎo)這四個(gè)字讓物理界“狂飆”了起來！Nature于凌晨正式發(fā)表了Dias團(tuán)隊(duì)的新論文。時(shí)間戳顯示，這篇論文在2022年8月投出，今年1月18日被Nature接收。
羅徹斯特大學(xué)的Dias團(tuán)隊(duì)宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體是由氫、氮、镥三種元素組成的三元相，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，其在大約10kbar（也就是1GPa，約相當(dāng)于1萬個(gè)大氣壓）下可以實(shí)現(xiàn)約294K（也就是約21℃）的室溫超導(dǎo)電性。
聽聞這個(gè)消息有些網(wǎng)友已經(jīng)沸騰了，直言這研究結(jié)果如果是真的，諾獎(jiǎng)直接抱回家！有網(wǎng)友說如果真的是能實(shí)現(xiàn)，意味著包括可控核聚變、量子計(jì)算在內(nèi)的領(lǐng)域，全都會(huì)被新的技術(shù)顛覆。
那么室溫超導(dǎo)究竟是啥，對(duì)我們現(xiàn)在的技術(shù)和生活有什么影響？
01 超導(dǎo)的定義和價(jià)值
超導(dǎo)，指導(dǎo)體在某一溫度下，電阻為零的狀態(tài)。人們把處于超導(dǎo)態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，也不會(huì)出現(xiàn)壓降，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)，醫(yī)院的核磁共振便是用了此技術(shù)。
當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。
超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上。
超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。
超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗。但現(xiàn)有的超導(dǎo)體還處于必須用昂貴的液氦制冷，只有少部分銅基超導(dǎo)體可以使用液氮制冷來使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。
當(dāng)我們使用增大電流來增加磁場(chǎng)的方式時(shí)，隨著電流的增加，焦耳熱會(huì)按平方增加，大部分的電流能量都轉(zhuǎn)換為了內(nèi)能損耗了，如果我們使用超導(dǎo)體制作線圈產(chǎn)生電流，由于超導(dǎo)體沒有電阻，就不會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，于是幾乎可以無限的提升電流強(qiáng)度來獲得高強(qiáng)磁場(chǎng)。
因此，如果室溫超導(dǎo)真的成立，那對(duì)我們的科技和人類社會(huì)都有質(zhì)的改變，粒子對(duì)撞機(jī)、可控核聚變、量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)輸發(fā)電、超導(dǎo)電器等等都會(huì)得到重大突破！
02 Dias研究團(tuán)隊(duì)的研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)析
同大部分超導(dǎo)的文章一樣，Dias研究團(tuán)隊(duì)對(duì)樣品電輸運(yùn)、磁化率及比熱進(jìn)行了測(cè)量。
首先是電阻的測(cè)量結(jié)果，左圖中給出了10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的電阻測(cè)量結(jié)果，三個(gè)電壓下電阻都降低到了0，這正是超導(dǎo)體的主要特征之一，需要注意的是，這里1GPa時(shí)Tc是最高的，壓強(qiáng)越低，Tc越高，是一個(gè)令人意外的結(jié)果。插圖是樣品及電極圖片。右圖則給出了超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的V-I曲線。
這張圖是對(duì)磁化率的測(cè)量，a圖是60Oe（Oe是高斯單位制中表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的單位，可以理解為高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩隨溫度的變化圖，可以明顯看到其Tc為277K（4℃），b圖給出磁矩與外磁場(chǎng)的關(guān)系，也符合超導(dǎo)體的特征，c圖則是不同壓力下的M-T曲線，這里的Tc與電阻上的保持一致，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間也很小，是非常好的轉(zhuǎn)變。不過在a圖中也可以看出來研究團(tuán)隊(duì)對(duì)原始數(shù)據(jù)做了一定處理。
這里多提一句，磁化率的測(cè)量會(huì)明顯受樣品形狀、背底等因素的測(cè)量，理論上超導(dǎo)體應(yīng)該表現(xiàn)出完全抗磁性（即4πχ=-1），但實(shí)際測(cè)量中測(cè)不到完全抗磁性（即4πχ＞-1）也是可以理解的。當(dāng)然Dias的文章中并沒有約化，a圖中縱軸是磁矩，并非磁化率。
Dias還對(duì)比熱進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如上圖所示，這里給出了10、10.5、20kbar的測(cè)量結(jié)果，可以看到，三個(gè)比熱的曲線均能看到超導(dǎo)在比熱上的轉(zhuǎn)變，Tc與電阻的測(cè)量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解，這個(gè)結(jié)果是合理的。不過該說不說，這個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變并不算明顯，尤其是10.5kbar的曲線，峰并不明顯，10kbar的轉(zhuǎn)變也尚不如20kbar明顯。這三個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變看起來也有些區(qū)別，尤其是10kbar和10.5kbar的數(shù)據(jù)，僅差了0.5kbar，但圖像差異卻很大。不過考慮是高壓下測(cè)量的，或許有一些我們不知道的困難吧。
Dias還給出了樣品的XRD（X射線衍射）結(jié)果，并繪制了晶胞圖像，這當(dāng)然也是必要的。
a圖即XRD結(jié)果，他們采用了Mo靶，紅線是理論計(jì)算的結(jié)果，圓圈是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，藍(lán)線是二者的誤差，看得出來，測(cè)量與計(jì)算的結(jié)果區(qū)別很小，樣品可以說是一個(gè)純相，Dias團(tuán)隊(duì)計(jì)算樣品占比為92.25%，雜質(zhì)為L(zhǎng)uN1?δHε和Lu2O3。
b圖則是他們繪制的晶胞圖，白色原子是氫，綠色的是镥，粉紅色的是氮原子，他們給出的樣品化學(xué)式是LuH3?δNε，61kbar時(shí)空間群是Fm-3m和Immm，但Dias認(rèn)為超導(dǎo)相空間群是前者。
最后是該樣品的超導(dǎo)相圖（原文這是第一張圖），Tc隨著壓強(qiáng)升高而減小，這是出乎大家意料之處，后面或許也將成為研究的重點(diǎn)，b圖是樣片形貌隨著壓強(qiáng)的變化，常壓下是藍(lán)色的，隨著壓強(qiáng)升高逐漸變?yōu)榉奂t，最終呈現(xiàn)紅色，樣品的顏色還是非常喜慶的。
篇幅有限，支撐材料就不帶大家一起看了，感興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊鏈接跳轉(zhuǎn)nature官網(wǎng)查看。
Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride | Nature
03 業(yè)界的質(zhì)疑
研究團(tuán)隊(duì)有黑歷史，Ranga Dias本人也爭(zhēng)議纏身。
2020年10月15日，該團(tuán)隊(duì)曾在《自然》雜志刊文，稱他們?cè)?60萬個(gè)大氣壓下，成功創(chuàng)造出了臨界溫度約為15℃的室溫超導(dǎo)材料，這也是人類首次實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。該文章還成為當(dāng)月《自然》封面文章，引起軒然大波，因?yàn)橥ǔ碚f，超導(dǎo)現(xiàn)象離不開極低的溫度。但后來Nature認(rèn)為Dias他們的數(shù)據(jù)處理方式有問題，并且其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也一直未能被成功復(fù)現(xiàn)于是強(qiáng)制撤稿了。
并且在20218月15日，物理學(xué)家Jorge Hirsch在驗(yàn)證數(shù)據(jù)之后，認(rèn)為該論文的磁化率數(shù)據(jù)有問題，直接質(zhì)疑Dias團(tuán)隊(duì)用多項(xiàng)式曲線擬合數(shù)據(jù)“是一種捏造”，是“一場(chǎng)科學(xué)騙局”。
并且Dias本人曾經(jīng)在17年發(fā)表的論文宣布合成了首個(gè)金屬氫，然而論文發(fā)表后研究團(tuán)隊(duì)稱由于操作失誤，該金屬氫樣本已經(jīng)消失。
總結(jié)
雖然因?yàn)橐酝氖录?dǎo)致眾多科學(xué)家對(duì)Dias的研究團(tuán)隊(duì)不夠信任，但本次研究Dias給出了很多原始數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)條件僅需要1GPa的壓強(qiáng)，重復(fù)起來相對(duì)簡(jiǎn)單，希望能盡快有一個(gè)定論，一旦該研究被證實(shí)是真的，那我們將見證改變世界的一刻。